室外通信电源产品的热设计

室外通信电源产品的热设计

3G时代的到来，通信网络更趋向全面化覆盖、智能化管理等方面发展，通信电源伴随着通信主设备的发展而迅速发展，10多年来通信（特别是移动通信）正从城市逐步走向城镇和农村地区。在城市通信设备通常设置在市区的室内，通信电源也放置在室内，运营商一般采用自建机房或租赁；而在城镇、农村等非城市化地区，人员相对分散，自然条件相对恶劣，为了节省建设成本、加快建设周期，往往不采用建设机房的方式（包括移动方舱），主设备及电源设计采用室外机型，直接安置在户外。这种发展趋势越来越明显，因此运营商越来越重视室外电源的投资建设。

室外电源产品关键技术

1、室外防护技术

室外产品大多数场合下处于露天环境，需要进行防水、防雨、防尘等设计，往往电源柜部分要求防护等级达到IP55等级，电池柜部分至少要达到IP44等级，因此在产品设计中要力求达到以上指标，还要兼顾热设计效率、系统成本等多种因素。

2、热设计技术

对于室外电源，如果采取一体化机柜，电源仓部分和电池仓部分都要进行散热、加热处理，机柜内部的温度控制成为技术难点。高、低温控制技术是一项复杂的技术，高温控制可以采用空调、热交换器或者风扇等，低温控制采用加热器等技术，但是空调、热交换器、加热器的供电问题又是一个主要问题。一般来说直流供电的空调、加热器设备较少，采用交流供电方式居多，但是一旦交流停电或者其它交流故障，空调、加热器无法正常工作，机柜内部的温度偏离通信设备、蓄电池的正常工作温度，设备会自动关机保护、电池的使用寿命受到影响。目前行业的趋势是，普遍采用直流供电的热交换器或者风扇散热，加热采用交流供电的加热管；对于电池仓部分目前采用风扇散热、加热膜加热来控制电池仓温度。

伴随着通信主设备与电源产品的技术不断发展，其适应环境温度能力不断扩大，可以达到-45℃~70℃，工作温度较蓄电池的正常工作温度范围（～25℃左右）要宽得多，并且蓄电池的正常工作温度范围包括在设备工作温度范围之内，因此可以考虑产品可以分为设备仓、电池仓区别对待、处理，产品的设备仓、电池仓的隔离结构设计也为灵活的热设计方案提供了便利。

3、风道设计技术

设计良好的风道可以使冷空气或者热量均匀地流动，达到机柜内部温度平衡，因此在热设计时需要使用一些计算机辅助工具，进行热设计仿真，模拟实际使用环境。以目前的设计技术，热交换器散热方式下，环境温度和机柜内部温度达到10~11℃温差；风扇散热方式下，环境温度和机柜内部温度达到3~5℃温差。

通信电子产品热设计

在通信电子设备中，热功率损失通常以热能耗散的形式表现，而任何具有电阻的元件都是一个内部热源。当通信电子设备进行工作时，由于功率损失，器件本身温度会有所上升，同时通信设备周围的环境温度亦会影响设备内部温度，从而影响到电子器件工作的可靠性。随着通讯技术的发展，通信设备热设计越来越受到重视。正确的热设计是设备可靠性保证的主要方法之一。

1、通信电子设备热设计的一般流程

所谓热设计就是把设备输入的热量降至最低，并提高散热效果，把设备内部有害的热量排出到设备的外部环境当中，获得合适的工作温度使其不超过可靠性规定的限值，确保设备可靠、安全的工作。通信设备的热设计可分为3个层次，如图1所示。

图1 通信电子设备热设计的层次

对通信设备机箱、机柜及方舱等系统级别的热设计，即系统级（SYSTEMS）的热设计；对于电子模块、散热器、PCB板级别的热设计，即封装级（PACKAGES）的热设计；对于元器件级别的热设计，即组件级（COMPONENTS）的热设计。

系统级的热设计主要研究电子设备所处环境的温度对其影响，环境温度是电路板级热分析的重要边界条件，其热设计是采取措施控制环境温度，使电子设备在适宜的温度环境下进行工作，环境对通信电子设备失效的影响如图2所示。

图2 环境对通信电子设备失效的影响

通信电子设备封装级的电子模板和PCB电路板热设计是与设备的电路设计、结构设计密切相关同步进行的。对于PCB电路板基材进行适当的选择是电子设备封装级热设计的重要内容，除了一般要求的强度、绝缘、介质系数等外，耐温特性与导热性能是重点考虑项。

通信设备各个部件是由各种不同材料的元器件组成，其热膨胀系数各不相同，温度变化会在不同材料的交界面上产生压缩或拉伸应力，因此产生了热不匹配应力，简称热应力。材料热性质不匹配是产生热应力的内因，而温度变化是产生热应力的外因。通信电子设备元器件级的热设计是为了防止器件出现过热或温度交变而失效。

通信电子设备的热设计步骤可概括为：1）确定设备的加热、冷却需求；2）边界条件确定、初始数据计算；3）模型建立、分析；4）选择材料、热设计方式；5）制定程序调试、分析；6）输出文件、温度分布图验证。

2、通信电子设备冷却方式及其选择

通信电子设备的冷却方式可分为2类形式：自然冷却和强制冷却散热。根据具体情况，选择适当的冷却方式是热设计的重要方面。冷却方式的选择取决于很多因素，如：设备总发热量、设备的允许热量、工作环境及设备元器件的组装方式及布局等。

2.1、自然冷却散热

自然冷却是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到冷却目的，此方法广泛应用在中小功率设备上。自然对流依赖于流体的密度变化，所要求的驱动力不很大，因此在流动路径中容易受到障碍和阻力的影响而降低流体的流量和冷却速率。因此在清晰干净且畅通的情况下，自然对流是一种比较有效的冷却方式。在功率密度越来越大的通信设备中用此种冷却方式往往满足不了需求。

2.2、强制冷却散热

强制冷却分为空气和液体两种方式。很多通信设备的冷却采用强制对流风冷却形式，这是因为空气强制对流冷却的换热量比自然对流和辐射的要大到10倍。这也是当前通信设备较普遍的一种散热方式。

空气强迫对流冷却技术较自然冷却减小了电子设备冷却系统的体积，使其具有更高的功率密度和更高的热点温度。通常，风源的产生有两种方法：1）设备内部用风扇（常见的有离心、轴流、螺旋桨等形式），以加大空气流量，强化器件、部件、设备的散热；可以直接将热空气排放至外界环境，也可以通过热交换器形式，通过内部、外界两个循环风道进行热交换散热；2）风源不在设备内部，这种形式只使用在移动式通信设备上，机体本身开设了多个通风孔，在运动过程中外部气源经通风孔鼓风，从而达到冷却的效果。

目前液冷技术正沿着两个不同的方向发展：一是用来处理设备产生的热量使器件温度和器件温差限制在可接受的水平上；另一个是使器件和电路处于极低的温度状态下以提高器件开关速度和降低金属布线电阻，从而提高电子设备的性能。超低温冷却技术为液冷应用开辟了一个新的领域，是在特定的条件下提高电子设备性能的有效手段。

相变过程伴随有大量热量的释放和吸收，采用相变冷却的方法可以对电子设备进行有效的温度控制。利用相变材料的相变过程作为热控制的基本形式有两种：液体的气化和固体的熔化。液体的气化冷却是一种很有效的冷却方式，主要应用于高能量密度的部件或者处于常温蒸浴状态的电子器件。固体的熔化冷却是采用一种合适的材料作为冷却手段，如塑性化合物，当它从发热部件吸收大量的热量时就熔化。材料熔化时温度并没有升高，所吸收的热量转化为材料的熔化热，起到冷却发热电子部件的作用。这种冷却方法的优点是原理简单，并且不耗费能源。因为熔化过程是可逆的，若发热器件的温度降下来，则已融化的物质可以再凝固。缺点是冷却能力限制在吸热材料的热容量以内。这种冷却方法特别适用于处于脉冲工作状态下的电子器件设备。选择相变材料时应注意材料的熔化点，其数值应等于或接近于发热部件的正常工作温度。

2.3、其它冷却技术

2.3.1、热管技术

热管是一种密封结构的空心管，管内含有蒸发时传递大量热量的液体以及冷凝时将液体带回起点的吸液芯。整个过程是在没有外部动力，没有机械运动零件，没有噪声的情况下完成的，而且设计极为简单有效，传递的热量比固态金属大几百倍，因此热管在电子设备冷却技术领域得到了广泛的应用。

热管是一个圆筒形的中空容器，在其管壁内填充烧结金属、金属毡等材料，主要是利用其毛吸力较大的特性，使液体由上面冷凝部回流到下部蒸发部。当蒸发部受热后使工作液蒸发，这种蒸汽快速地向冷凝部转移，并迅速带走热量，在冷凝段冷却而使蒸气凝聚成液体并积累。由于蒸发部的液体在缺乏毛吸力的作用下使工作液回流，这样工业液的蒸发(吸热过程)→蒸气的移动(输送热量)→凝结(放热过程)→液体回流，自动完成了容器的导热过程。这种冷凝散热器有很多优点，不仅导热性十分优异、热响应快、受热部分和散热部分可以隔离、构造简单、重量轻、使用寿命长、故障率低、可在无重力情况下使用、还具有热二极管及热开关的特性。特别是，一般的固体传导热量与传导通路长度呈反比例减少，而热管具有其他固体传热所不具有的特性。在电子设备中使用时，其一端可以连接多个发热部件，另一端可连接散热器、机壳其它冷却器件，散热效果十分理想。

2.3.2、热电制冷技术

当电流通过N型半导体和P型半导体所形成的电偶时，一个接头上放出热量，而另一个接头上吸收热量。利用这一原理做成典型应用的有冷热水机、电子器件的冷却。热电制冷技术的制冷温度范围为-20 ℃～常温。应用热电制冷技术作为电子设备的冷却措施，设计包括以下内容：设置一个电子器件需要的冷面、提供一个比环境高的热表面以及设置一个从冷面至热面泵出热量的制冷系统。

图3所示为热电制冷器的示意图，通常由P型和N型半导体片、导电接片、电绝热片、冷板和散热器组成。由于单级热电制冷器的制冷量较小，为了获得更大的制冷量和更低的制冷温度，常采用多级温差电器件串联、并联或者串并联结合的形式来对电子设备进行冷却。

图3 热电制冷工作原理示意图

3、计算机辅助热设计

随着计算机技术的发展，在通信电子行业计算机辅助设计也逐渐成熟，热设计作为电子设备设计的一部分也得到了充分的发展。在我国电子设备热设计领域主要是利用计算流体动力学（CFD）方法来进行的。国外已经有较多的商业软件来进行计算机辅助热设计：FLUENT/Icepack，PHOENICS/Hobox，ANSYS，NATA，CINDA，NATFIN，CATS，TANS，FLOWTHERM，ICEPAK，CoolitTM等。进行热分析的数学基础是有限元法、有限容积法、有限差分法以及边界元法。热分析就是根据工程实际来对模型简化，建立数学模型，求解非线性方程，编制和调试分析程序，最后得到可视化的温度分布图。

4、通信电子设备热设计的发展方向

电子设备热设计是一项十分复杂的工作，电子设备的计算机辅助热设计还有待于进一步的完善和发展，与设备结构的设计有机的结合起来。由于电子设备微型化的趋势，电子设备热设计需要从微尺度换热的角度来考虑进行有效的热传递。另外液体冷却和热管等技术在电子设备上的应用也是今后电子设备热设计的发展方向。

中兴室外电源产品应用

1、中兴室外电源产品应用特征

?室外产品有电源柜与电池柜一体的一体化柜、分开的分体式柜，有风扇与热交换器散热两种形式，热电制冷及其它形式在研发过程中，有加热及保温的选择配置，有温度控制功能，满足IP55的防护等级，满足世界大部分地区的使用环境需求、温度范围需求；

?室外电源产品(如ZXDU58 W121系列)配置了监控设备，对于高温炎热的国家地区采用温控开关控制风扇的启停。温控开关启动控制在35℃，关断控制在30℃，控制精度不超过±2℃。风扇的安装位置、风道设计保证机柜内外环境的热交换效果；

?室外电源产品应用于不同温度环境

适合高温国家、地区(如巴基斯坦、重庆等)应用的室外电源产品采用的是室外热电制冷方式、热交换器方式，主动散热、散热能力是其典型功能。

对于一般高温地区(赤道附近、中国长江流域、南方地区)，应用的室外电源产品采用的是风扇或热交换器进行主动散热。

对于温差较大且突出地区(一年中有最高月平均气温超过28℃的高温环境，也有最低月平均气温低于-10℃

低温环境，如中国长春)，应用的室外电源产品采用的是热交换器进行主动散热，也有加热器进行加热、保温。

对于市场特殊需求，如要求减少占地面积，降低征地费用，保证基站设备用电量及蓄电池备电时间等，中兴室外电源产品用一个对应热设计的室外柜能解决上述问题。

2、不同热设计方式的室外电源产品应用指南

1) 了解产品使用地区的气候特征；

2) 选择产品热设计类型――风扇型、热交换器型、热电制冷型，以及是否需要加热；

3）选择电池柜热设计类型――强制散热、加热保温；

4）结合温度选择：气温最高月的平均最高气温超过28℃的区域选择散热，气温最低月的平均最低气温低于-10℃的区域选择加热、保温。